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Nikkei X-TECH_2022.4.19

한계돌파 시뮬레이션
'케이(京)'에서 '후가쿠(富岳)'로 한계를 돌파
슈퍼컴퓨터 성능 100배, 이틀을 1시간 이내로

“기존에는 비현실적으로 여겨졌던 과제에도 대응할 수 있게 되었다”. 슈퍼 컴퓨터 ‘후가쿠’를 이용한 시뮬레이션의 실증 프로젝트를 총괄하는 도쿄대학 생산기술연구소 혁신적 시뮬레이션 연구센터의 가토(加藤) 씨는 이렇게 기대를 걸고 있다.

-- 제조업의 과제를 슈퍼컴퓨터로 해결 --
최근 수 십 년간 유한요소법(FEM)에 의한 응력 해석과 같은 시뮬레이션 기술은 제조업에 있어서 익숙한 툴로서 보급되어 왔다. 그렇지만, 한 기업이 이용할 수 있는 컴퓨터의 처리 능력 및 투입할 수 있는 인적 자원에는 한계가 있어, 비용 대비 효과 등을 감안할 때 도전적인 과제에 대처하기란 쉽지 않다.

이에, 제조업이 필요로 하는 혁신적인 시뮬레이션 기술을 산·학 연계로 연구 개발하는 프로젝트가 문부과학성 주도로 추진된다. 그것은 ‘후가쿠’를 이용한 혁신적인 유체성능 예측 기술의 연구 개발’ 프로젝트이다.

2021년 3월에 완성된 후가쿠는 현재도 세계 슈퍼컴퓨터 성능 랭킹 ‘TOP500’의 선두를 유지하고 있다. 후가쿠의 애플리케이션은 선대 슈퍼컴퓨터인 ‘케이(京)’에 비해 수 십~100배 정도 성능이 뛰어나다. 후가쿠의 성능을 끌어낼 수 있다면, 기존 슈퍼컴퓨터에서는 불가능하다고 여겨 온 시뮬레이션도 가능하게 된다. 아래에서는 해당 프로젝트의 연구 테마의 일부를 소개하겠다.

-- 예항(曳航) 수조 시험을 대체 --
일본조선기술센터 및 도쿄대학 생산기술연구소 등은 선박의 설계에서 불가결한 예항 수조 시험을 후가쿠에 의한 시뮬레이션으로 대체하는 기술 개발을 목표로 하고 있다. 가토 씨에 따르면, 이 대처는 슈퍼컴퓨터 케이의 시대부터 검토되어 왔다고 한다.

실제 예항 수조 시험에서는 대형 수영장에 모형선을 띄워 잡아당겨, 선체의 운동 성능과 물에서 받는 저항 등을 검증한다. 일반적으로, 1회의 시험은 10분 정도로 끝나지만, 모형이나 수영장과 같은 실험 환경을 준비하는 수고가 든다. 이를 시뮬레이션으로 대체할 수 있다면 검토하는 비용 절감 및 시간 단축으로 이어질 수 있다.

그러나, 당시 슈퍼컴퓨터에서는 시뮬레이션 실행에 이틀 정도 할애할 필요가 있었다고 한다. 아무리 실제 시험을 대체할 수 있는 장점이 있다고 해도, 이틀 간의 시뮬레이션을 실용적이라고 말하기는 어려웠다.

반면, 후가쿠의 경우에는 동일한 시뮬레이션이 1시간 이내면 가능하다. 전용의 유체 해석 소프트웨어를 실행해 비교하면, “케이의 70배 성능을 얻을 수 있다”(가토 씨)라고 한다.

-- 압축기의 서지(Surge) 현상을 예측 --
규슈(九州)대학 팀의 프로젝트는 가스터빈 등에 이용되는 압축기의 서지 현상을 후가쿠로 예측하여, 보다 안전한 제품 설계의 실현을 목표로 하고 있다. 압축기의 서지 현상이란 기체가 흐름 방향으로 진동하는 것을 말한다. 진동이 심하면 기체가 의도치 않게 역류하거나 압축기 운전에 지장을 줄 수 있다.

압축기를 설계하는 단계에서 대책을 강구할 수 있다면 이상적이지만, 지금까지 서지 현상의 예측은 경험에 의지하고 있었다(가토 씨). 후가쿠에 의한 유체 시뮬레이션을 통해 그 메커니즘을 해명할 수 있다면 설계에 도움이 될 것이다. 실제 기기의 압축기로 서지 현상을 확인할 경우, 제품이 파손될 우려가 있다. 시뮬레이션으로 한계를 알 수 있다면 실제 기기를 사용하지 않아도 되므로 유용하다.

가토 씨에 따르면, 이 압축기를 시뮬레이션 하는데 있어서 시간이 짧은 현상과 시간이 긴 현상을 동시에 파악하지 않으면 안 된다는 어려움이 있었다.

“예를 들어, 이 해석에 있어서 서지(Surge) 1주기의 현상은 압축기의 임펠러(Impeller) 약 200회전 분에 해당된다. 서지 10주기 분량을 해석할 경우, 임펠러 2,000회전 분량인 것이다. 지금까지 10~20회전 분량의 현상을 해석하고 있었다면, 200배의 계산이 필요하게 된다”(가토 씨). 이것 또한 케이로는 어려웠지만, 후가쿠로는 가능하게 된 시뮬레이션 중 하나이다.

본 프로젝트로 실증한 연구테마가 내다보는 것은 대략 5년 후의 실용화이다. 그것은 후가쿠를 통해 획득한 기술을 탑재한 시뮬레이션 툴의 실용화 및 그 지견을 활용한 개별 제품의 설계로 연결시키는 것이다. 벤치마크로 제시된 성능이 드디어 제조업 현장에서 발휘되려 하고 있다.

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